物聯(lián)網(wǎng)技術在智慧農(nóng)業(yè)場景中的創(chuàng)新應用研究
——基于功率控制的BLE Mesh路由轉發(fā)機制

趙永志

（上海電力大學 電子與信息工程學院，上海 200090）

近年來，新冠肺炎疫情肆虐全球，導致全球經(jīng)濟衰退，糧食供需趨緊。雖然我國農(nóng)業(yè)能夠保障國內(nèi)安全生產(chǎn)需要，但仍存在對土地性狀認識不清、水肥藥等要素投入較多的問題[1]，需提高生產(chǎn)效率，精準投入生產(chǎn)要素，進一步節(jié)約成本與資源。隨著電子技術和無線網(wǎng)絡技術的發(fā)展，智慧農(nóng)業(yè)成為各國農(nóng)業(yè)工作者的研究熱點，通過無線網(wǎng)絡技術實時獲取農(nóng)作物的生長狀況信息，進行精準的灌溉、調(diào)溫、施肥、打藥的自動控制，能夠提高生產(chǎn)要素的利用效率，推進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實現(xiàn)自動化。

藍牙技術作為一種應用廣泛的物聯(lián)網(wǎng)技術，具有低功耗、低成本、安全性高的特點，適合用于智慧農(nóng)業(yè)中的長時間、低功耗的環(huán)境監(jiān)測。早期藍牙僅能以一對一、一對多的方式進行連接，在如今設備數(shù)量快速增長的時期已無法滿足實際需要。于是在2019年，藍牙技術聯(lián)盟發(fā)布了新的BLE Mesh規(guī)范，基于低功耗藍牙協(xié)議，以廣播中繼的方式實現(xiàn)多對多的節(jié)點連接，為智能硬件互聯(lián)互通提供了新的技術手段。

在BLE Mesh規(guī)范中，并不存在一個集中器路由的角色，通過廣播中繼的方式，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)讲辉谥苯訜o線電覆蓋范圍內(nèi)的設備，擴大通信范圍。但是這種“網(wǎng)絡泛洪”方式，若不加以限制，很容易出現(xiàn)無限制的中繼轉發(fā)，進而使得網(wǎng)絡資源快速被耗盡。為此，藍牙規(guī)范采取了2個措施用來避免無限制中繼，分別為信息緩存隊列和TTL字段。

信息緩存隊列用來保證同一網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包僅能被同一節(jié)點中繼一次。在每個節(jié)點的網(wǎng)絡層都包含一個信息緩存隊列，若某個剛收到的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包已經(jīng)在緩存隊列中，則會將該數(shù)據(jù)包直接丟棄。

TTL字段用來限制網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包傳輸?shù)奶鴶?shù)。在每個數(shù)據(jù)包中都包含一個TTL字段，該數(shù)據(jù)包每次被中繼，該TTL字段將會減少1，若該數(shù)據(jù)包的TTL值已經(jīng)小于2，則該數(shù)據(jù)包會被直接丟棄。

雖然上述2項措施在一定程度上減少了中繼轉發(fā)帶來的網(wǎng)絡資源消耗，但仍然存在無效轉發(fā)的問題。隨著電子技術的發(fā)展，藍牙傳輸距離已可以達到500 m，然而實際在水肥智能控制、農(nóng)作物生長溫度調(diào)節(jié)等場景中，智能設備間距大多在幾十米左右，某一節(jié)點轉發(fā)消息，其廣播范圍內(nèi)的設備都會進行轉發(fā)，增加了不必要的轉發(fā)，增大網(wǎng)絡擁塞和能源消耗。

自BLE Mesh規(guī)范發(fā)布以來，諸多學者也對BLE Mesh網(wǎng)絡的路由轉發(fā)機制進行了研究。孫吉武[2]提出了一種機會路由優(yōu)化協(xié)議，綜合改進了機會路由中的后備節(jié)點集和協(xié)調(diào)策略，從路由機制的角度優(yōu)化了網(wǎng)絡的時延與吞吐量指標。周曉明等[3]提出了基于改進的泛洪算法的藍牙Mesh路由方法，通過限制一次數(shù)據(jù)包傳輸過程中參與轉發(fā)的節(jié)點個數(shù)來減少不必要的節(jié)點轉發(fā)，根據(jù)每個節(jié)點的剩余能量確定該節(jié)點的轉發(fā)概率，從而均衡了整個網(wǎng)絡節(jié)點的能量消耗。李曉輝等[4]提出了一種基于藍牙Mesh網(wǎng)絡的節(jié)點及其控制方法，根據(jù)節(jié)點的接收信號強度和收包速率來計算節(jié)點是否轉發(fā)數(shù)據(jù)包和轉發(fā)延時，提升了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性，減少了廣播風暴、網(wǎng)絡堵塞的可能性。

然而，以上的路由協(xié)議大都采用復雜的交互機制或采用部分節(jié)點參與轉發(fā)的方式來優(yōu)化路由協(xié)議。然而在實際實現(xiàn)方面，BLE Mesh規(guī)范以模型為基礎進行消息傳遞，且采用AppKey對應用層數(shù)據(jù)進行加密，轉發(fā)節(jié)點若無對應AppKey，只能提取數(shù)據(jù)包中的消息序列號、TTL值、源地址、目的地址等信息，對數(shù)據(jù)包判斷是否轉發(fā)存在問題。本文提出一種基于功率控制的BLE Mesh路由轉發(fā)機制，通過改變節(jié)點的發(fā)射功率，使用簡單的交互機制，讓廣播區(qū)域外層的節(jié)點進行數(shù)據(jù)轉發(fā)，減少了參與轉發(fā)節(jié)點的數(shù)量，降低了網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包碰撞概率，減少了BLE Mesh網(wǎng)絡整體能源消耗，提升了網(wǎng)絡的可靠性。

1 基于功率控制的路由機制

隨著電子技術的發(fā)展，藍牙芯片的發(fā)射功率和接收機靈敏度不斷提高，其傳輸范圍也隨之增強。如Nordic的nRF52833芯片，在2.4 GHz、1Mbps速率下，其TX功率最高可達+8 dBm，最低為-20 dBm，并可以在范圍內(nèi)以4 dB幅度進行調(diào)整。其接收機靈敏度也可達到-93 dBm。根據(jù)全向天線路徑損耗與傳輸距離的近似關系式（1）可以得到見表1的傳輸距離。

表1 路徑損耗與傳輸距離的關系

其中：Path Loss為路徑損耗，單位為dB；d為傳輸距離，單位為m。

由表1可知，藍牙設備的傳輸半徑變化范圍較大，通過合理的編碼設置便可控制其傳輸距離。為方便下文描述，設定ABC 3種TX功率傳輸?shù)燃?，且功率A＞B＞C。

傳統(tǒng)的BLE Mesh網(wǎng)絡路由泛洪多采用單一輸出功率進行通信，其中繼轉發(fā)機制如圖1所示。圖中節(jié)點1作為收到數(shù)據(jù)包的轉發(fā)節(jié)點，節(jié)點2、3、4為轉發(fā)節(jié)點，節(jié)點5為數(shù)據(jù)包的目的節(jié)點。節(jié)點1在收到數(shù)據(jù)包且判斷需要轉發(fā)后，便開始以特定功率開始廣播，節(jié)點2、3處于廣播范圍內(nèi)，收到數(shù)據(jù)包判斷后都會進行轉發(fā)，最后經(jīng)節(jié)點4轉發(fā)到達目的節(jié)點5。該方式中，節(jié)點2、3都會進行消息轉發(fā)，但是實際上僅需節(jié)點3轉發(fā)即可。在實際情況中，如智能燈控場景下，智能設備的距離大都在2～3 m，采用此方式會造成大量的額外節(jié)點轉發(fā)，消耗網(wǎng)絡能量。

圖1 傳統(tǒng)的BLE Mesh網(wǎng)絡路由泛洪

本文提出的基于功率控制的BLE Mesh路由轉發(fā)機制以傳統(tǒng)泛洪算法為基礎，每次消息轉發(fā)采用2次發(fā)送方式，第一次以功率A發(fā)送數(shù)據(jù)包，包含所需發(fā)送信息。在隨機延時后以低一等級的功率B發(fā)送不轉發(fā)指令，為減小發(fā)送消耗，不轉發(fā)指令不包含數(shù)據(jù)信息PDU，其序列號、TTL值、源地址、目的地址和第一次發(fā)送數(shù)據(jù)包保持一致。由于2次數(shù)據(jù)發(fā)送功率不同，且第1次發(fā)送數(shù)據(jù)傳輸范圍較廣，其他轉發(fā)節(jié)點在接收到轉發(fā)消息后并不立即轉發(fā)，開始偵聽不轉發(fā)指令，若接收到不轉發(fā)指令，則取消轉發(fā)。如圖2所示，節(jié)點2、3接收到數(shù)據(jù)包后，偵聽以B功率發(fā)送的不轉發(fā)指令，此時由于傳輸距離不同，節(jié)點2收到不轉發(fā)指令，則取消轉發(fā)，而節(jié)點3由于距離較遠，接收不到不轉發(fā)指令，則進行轉發(fā)，最后由節(jié)點4轉發(fā)至目的節(jié)點5。

圖2 基于功率控制的BLE Mesh路由轉發(fā)機制

BLE Mesh規(guī)范中規(guī)定了4種地址用來消息發(fā)布，其中單播地址和組播地址較為常用。目的地址為單播地址的數(shù)據(jù)包只能由1個元素進行處理。目的地址為組播地址的數(shù)據(jù)包可以由訂閱該地址的多個元素進行處理。目前數(shù)據(jù)包的TTL值若無心跳廣播輔助設置下，大多由經(jīng)驗值或全網(wǎng)統(tǒng)一值去設置?？紤]如圖3所示情況，目的地址為節(jié)點2內(nèi)元素單播地址的數(shù)據(jù)包，若TTL值設置不合理，節(jié)點2、3收到數(shù)據(jù)包后，仍會進行轉發(fā)。此時節(jié)點4、5的轉發(fā)則為無效轉發(fā)，浪費了網(wǎng)絡資源。

圖3 數(shù)據(jù)包目的地址在節(jié)點單跳廣播范圍內(nèi)

這種情況下就要求節(jié)點掌握其單跳范圍內(nèi)節(jié)點元素內(nèi)目的地址，由于BLE Mesh網(wǎng)絡內(nèi)消息大多基于模型去傳遞，為此本文提出創(chuàng)建新的Vendor模型，用來傳遞節(jié)點訂閱信息。網(wǎng)絡內(nèi)所有節(jié)點內(nèi)置Vendor模型，并將Vendor模型的訂閱和發(fā)布地址設置為Vendor組地址，這樣就可以由Vendor模型進行控制消息的傳遞。當網(wǎng)絡組建完成后，網(wǎng)絡內(nèi)節(jié)點將本節(jié)點內(nèi)元素單播地址封裝進數(shù)據(jù)包，將TTL值設置為0，表示非中繼數(shù)據(jù)包，并進行廣播發(fā)送。其他節(jié)點通過Vendor模型收集單跳廣播范圍內(nèi)節(jié)點的單播地址信息并存儲。若待轉發(fā)數(shù)據(jù)包的目的地址在本節(jié)點單跳范圍內(nèi)，則將其TTL值設置為0，防止其再次被無效轉發(fā)，并取消第二次不轉發(fā)指令發(fā)送。

考慮如圖4所示情況，目的節(jié)點5僅能收到節(jié)點2轉發(fā)的數(shù)據(jù)包，若節(jié)點2處于轉發(fā)節(jié)點1的B發(fā)射功率內(nèi)，由于接收到不轉發(fā)指令，則不會將數(shù)據(jù)轉發(fā)至目的節(jié)點5。為解決上述情況，提高網(wǎng)絡的可靠性，加入功率調(diào)整重傳機制。若發(fā)送節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)一定時間后并未獲得回傳消息，則會向網(wǎng)內(nèi)Vendor組地址發(fā)送攜帶有目的地址的非轉發(fā)指令功率降低的數(shù)據(jù)包，轉發(fā)節(jié)點通過Vendor模型接收后，會將該目的地址的非轉發(fā)指令傳輸功率等級降低，增加轉發(fā)節(jié)點數(shù)目，保證傳輸可靠性。若降低后仍然接收不到回傳消息，則繼續(xù)降低中繼節(jié)點對于該目的地址的傳輸功率等級，最低傳輸功率等級為取消發(fā)送不轉發(fā)指令。如圖4所示，即第2次發(fā)送的非轉發(fā)指令采用C功率發(fā)送，使得節(jié)點2、3都會進行數(shù)據(jù)包轉發(fā)，保證數(shù)據(jù)包到達目的節(jié)點5。

圖4 功率調(diào)整重傳機制

綜上所述，本文提出的基于功率控制的BLE Mesh路由轉發(fā)機制轉發(fā)節(jié)點流程如圖5所示。

圖5 基于功率控制的BLE Mesh路由轉發(fā)機制流程圖

2 仿真與分析

2.1 仿真參數(shù)和模型

為測試基于功率控制的BLE Mesh路由轉發(fā)機制的性能，采用MATLAB R2021a計算平臺，基于Communications Toolbox Library for the Blue tooth Protocol進行實驗。如圖6所示，在160 m×160 m的農(nóng)田區(qū)域中均勻分布50個節(jié)點，所有節(jié)點都具有中繼功能。從節(jié)點1發(fā)送數(shù)據(jù)包至節(jié)點17。設置傳統(tǒng)的泛洪方式單跳廣播傳輸距離為40 m，基于功率控制的BLE Mesh路由轉發(fā)機制廣播傳輸距離為40 m，其中不轉發(fā)指令初始傳輸距離為30 m。

圖6 仿真節(jié)點部署模型

2.2 仿真結果分析

圖7給出了傳統(tǒng)的泛洪方式和基于功率控制的BLE Mesh路由轉發(fā)機制下，隨著傳輸時間的增加，網(wǎng)絡中所有節(jié)點的中繼消息數(shù)量變化對比圖?；诠β士刂频腂LE Mesh路由轉發(fā)機制在同時刻的中繼消息數(shù)量要小于傳統(tǒng)的泛洪方式，通過發(fā)送不轉發(fā)指令，選擇廣播外層的節(jié)點進行消息中繼，能夠減少網(wǎng)絡節(jié)點能量消耗，延長網(wǎng)絡的生存時間。

圖7 中繼消息數(shù)量變化對比圖

3 結束語

本文提出并設計了一種基于功率控制的BLE Mesh路由轉發(fā)機制。該機制基于較為簡單的功率控制去實現(xiàn)，在智慧農(nóng)業(yè)應用場景下，能夠減少設備的能量消耗，降低農(nóng)作物的生產(chǎn)成本，具有一定的參考價值和使用價值。但是，該機制所采用的2次發(fā)送和功率切換在實際工程實現(xiàn)時會存在較大的延時，適用于對延時不敏感的場景下。并且由于僅由廣播范圍外層的節(jié)點進行轉發(fā)，在節(jié)點布置較為稀疏的情況下可靠性會降低，在今后的研究中會致力于解決這些問題。